纳米压印技术

纳米压印技术(NanoimprintLithography)微纳加工技术及微纳器件

段智勇

3/21/2023主要内容为什么要研究纳米压印技术.纳米压印技术实现的方式.纳米压印技术亟待解决的问题.课题组研究工作及进展.2一.为什么研究纳米压印技术图形转移目前都采用光学方法实现,即传统的光刻.瑞利公式的限制.光学光刻的发展:移相掩模;光学临近效应校正;浸润式光学镜头;已经可以实现14nm节点图形转移.3一.为什么研究纳米压印技术光学光刻走向没落,提出下一代图形转移技术(NGL):电子束直写;X射线曝光;极深紫外光源曝光;纳米压印技术;ML2;EUVIMM.4自2003年开始直到2015年,奇数年出版的国际半导体蓝图都将纳米压印技术作为半导体加工所需图形转移技术的备选之一./Links/2013ITRS/Home2013.htm2013版国际半导体蓝图5一.为什么研究纳米压印技术1995年周郁

提出一种新技术：纳米压印

(nanoimprintlithography)。周郁-美籍华人,1978年中科大本科毕业赴美,现普林斯顿大学终身教授,美国工程院院士,IEEEFellow.纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是：超高分辩率;高产量;高保真度;低成本。6一.为什么研究纳米压印技术高分辩率没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。高产量可以象光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器件。低成本不象光学曝光机那样需要复杂的光学系统或象电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统。高保真度几乎无差别的将掩模板上的图形转移到wafer上.纳米压印可望成为一种工业化生产技术，从根本上解决各种纳米器件生产。7一.为什么研究纳米压印技术应用领域：半导体加工作量子磁碟DNA电泳芯片GaAs

光检测器波导起偏器硅场效应管高密度磁结构GaAs

量子器件纳米电机系统（NEMS）微波集成电路亚波长器件超材料（左手材料）8二.纳米压印技术实现方式纳米压印工艺由于材料、目标图形和产品用途的不同而不同，但其基本原理和工作程序是相同的。最基本的程序包含两个主要步骤:图形复制(imprint)图形转移(patterntransfer)在一块基片(通常是硅片)上“涂”(spin:旋覆)上一层聚合物(如PMMA，聚甲基丙烯酸甲脂)。已刻有目标纳米图形的硬“印章”(如二氧化硅“图章”)在一定的温度(必须高于聚合物“软化”温度(glass-transitiontemperature)，和压力下去“压印”(imprint)PMMA涂层。实现图形的复制。“复制”是纳米压印的最本质的步骤。9二.纳米压印技术实现方式10二.纳米压印技术实现方式压印深度小于聚合物涂层的厚度，确保印章不与衬底材料接触，保护印章面不受损伤。脱模：将“印章”从压印的聚合物中释放。把聚合物图案转移到衬底材料或其它材料上。可以直接利用聚合物作为刻蚀掩模进行硅刻蚀。在压有图形的PMMA上蒸发上一层金属膜，经过一种叫溶脱(lift-off)的工艺，去除未压印区的聚合物及其上附着的金属，只留下附着在基底上的金属，从而在基底上形成相应的金属纳米图形。11二.纳米压印技术实现方式硅印章复制的聚合物图形

转移的金属图形(10nm金属点阵)12二.纳米压印技术实现方式热压印技术最先提出的压印方式；使用石英玻璃板作为印章的基底材料；印章(quartztemplate)与聚合物层(transferlayer)只是相互接触，压入填充；掩模板间隙被充满，冷却后分离。图形以聚合物层构成；进行后续工艺。13二.纳米压印技术实现方式热压印技术一般采用有机玻璃（PMMA）做转移介质；需要加热设备；需要经过冷却，工艺过程较长。周郁1995发表在APL上的相关论文已被引用1669次。Appl.Phys.Lett.,67(21),3114(1995).14二.纳米压印技术实现方式超声纳米压印技术热压印的改进，利用超声波加热介质聚合物。中国台湾清华大学首次提出。15二.纳米压印技术实现方式紫外纳米压印技术第一种不用加热的压印技术；紫外光敏感光刻胶旋图到wafer上；掩模板压入光刻胶成型；紫外光透过掩模板照射光刻胶，使光刻胶固化；分离后进行后续工艺。紫外纳米压印技术是当前国际主流纳米压印机采用技术。16二.纳米压印技术实现方式紫外纳米压印技术几个变种：逆压印技术；将光紫外刻胶旋图到掩模板上，轻微接触wafer，然后分离。软掩模板压印技术；掩模板材料聚合物材料（PDMS），更好克服wafer之不平整。转轴连续纳米压印技术。掩模板图形制作在可以滚动的滚轴上，基板采用弹性介质，随着滚轴转动可以将图形转移到基板上，高产量！17二.纳米压印技术实现方式逆压印技术18二.纳米压印技术实现方式软掩模板压印19二.纳米压印技术实现方式转轴纳米压印技术20二.纳米压印技术实现方式欧洲信息化技术研究委员会的科学家已开发成功第一代商用极紫外纳米压印光刻设备。特点：软极紫外线增强型纳米压印光刻技术。极紫外纳米压印技术和软光刻技术结合。灵活的选择多层软模型。可在室温环境工作。使用低于1bar的压印压力。21二.纳米压印技术实现方式激光熔融纳米压印技术利用高功率激光在wafer上扫描，形成一层200nm厚的熔融层，替代传统聚合物介质；掩模板采用SiO2，可以透过激光；熔融后压入熔融层；分离形成压印图形。可以在wafer上溅射一层金属，直接熔融金属层实现图形转移。22二.纳米压印技术实现方式激光熔融纳米压印技术NATURE.VOL417.835-837，200223二.纳米压印技术实现方式静电辅助纳米压印技术如果在转移介质中添加磁性离子，再将样品放到磁场中稳定一定时间，有利于转移介质对掩模板间隙的有效填充，获得图形边缘更清晰的介质图形。24二.纳米压印技术实现方式气压辅助纳米技术采用气体施压的方式提高压印力的均匀性，是目前知道的施压方式中最优方法。25二.纳米压印技术实现方式气压纳米压印技术26二.纳米压印技术实现方式气压纳米压印技术的几种实现方法充气式气压纳米压印；构建施压腔室，利用两喷嘴向里边充气，提高压强。气囊式气压纳米压印；掩模板固定，基板放在弹性气球上，气球充气上顶施压。真空负压式硬掩模板纳米压印；掩模板通过弹性铰链、胶环与腔室连接、密闭，抽气后掩模板下压施压完成图形转移。真空负压式弹性wafer纳米压印。掩模板固定，基板采用弹性基板，抽气后弹性基板向上被压缩，完成施压。27二.纳米压印技术实现方式充气式气压纳米压印28二.纳米压印技术实现方式气囊式气压纳米压印29二.纳米压印技术实现方式真空负压式硬掩模板纳米压印ZL:200410089275.3ZL:200410089276.830二.纳米压印技术实现方式真空负压式弹性wafer纳米压印31二.纳米压印技术实现方式电化学超离子掩模板压印32二.纳米压印技术实现方式电化学超离子掩模板压印33二.纳米压印技术实现方式平板掩模板光滑转轴的连续加工34纳米压印机商用设备全世界有五家公司生产纳米压印机：美国MolecularImprintsInc.NanonexCorp。奥地利EVGroup。瑞典ObdcatAB。德国Suss

MicroTec

全球已经有很多大学和科研机构购买了纳米压印机，从事纳米结构和器件的设计和制备。国内：清华大学、上交、西交、北京大学、复旦大学、南京大学、吉林大学、同济大学、郑州大学、河南大学等。35纳米压印机商用设备德国suss公司产品36纳米压印机商用设备美国MolecularImprintsInc.公司完成的18Inch的wafer。37纳米压印机商用设备实际的纳米压印机38纳米压印机商用设备39纳米压印机商用设备40纳米压印机商用设备41纳米压印机商用设备(A)High-magnificationSEMimageofSiNWsproducedbytheSNAPtechnique.EachNWis17nmwide,andthearrayispatternedata34nmpitch.(B)SEMimageofafewdeviceswiththetopgatecolor-codedred.Scalebar:50um.(C)SchematicdrawingoftheactiveareaofaSiNWFET,withtheelectrodeslabeled42三.纳米压印技术亟待解决的问题施压机械施压采用机械方式将掩模板压入到转移介质。为避免掩模板和基板的不平行，在基板座中采用特殊设计。半球滑移；刀口支撑；多自由度自适应调节平台。气体施压采用气体施压是解决压印压力的最佳解决方案，可以保证在全晶圆面积压力均匀分布。真空负压；气囊充气；氮气填充。43三.纳米压印技术亟待解决的问题分离机械分离。采用弹性掩模板（PDMS），卷离。采用弹性掩模板，喷嘴吹离，韩国人利用该技术为三星电子的大面积显示屏纳米压印制作工艺。金属静电分离。吸盘固定气浮轨道滑动机械分离。44三.纳米压印技术亟待解决的问题转移介质PMMA(俗名：有机玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯

)；PDMS(聚二甲基硅氧烷

)；紫外光刻胶；熔融Si或者熔融金属；带静电荷的光刻胶；假塑性金属纳米粒子流体。45四.课题组研究及其进展解决施压均匀性问题提出活塞式气体施压方式。解决转移介质对掩模板图形间隙完全填充问题提出假塑性金属纳米粒子流体做转移介质。解决分离应力不均匀对纳米图形产生破坏问题提出静电分离技术。46四.课题组研究及其进展气体施压已报道4种方式：充气式气流扰动，初始期其压力分布不均匀。真空负压式需要弹性铰链或弹性基板弹性完全均匀，很难达到。气囊式气囊周边橡胶必须弹力均匀，否则掩模板基板会产生倾斜接触。47气体施压方式充气式施压直接充气气囊式充气抽气式施压掩模板下压式基板上吸式48压缩式气体施压在充气式施压、抽气式施压的基础上提出活塞式气体施压新方法。授权专利ZL:201110101431.349压缩式气体施压抽气式的两种施压方式以及气囊充气式方式，由于基板或者掩模板周边弹性力或者气囊的的不均匀经常导致掩模板和基板倾斜接触。掩模板寿命较短；基板容易压碎。通过理论推导和仿真分析，充气式施压，存在强烈的气流扰动，初始阶段压力分布不均匀。50对称喷嘴位于腔室侧壁，喷嘴高度h0=11.25cm，v=5.5m/s时流场中流线和压强的时演图(a)0.1s,(b)0.2s,(c)0.3s,(d)0.37s压缩式气体施压对称喷嘴位于腔室侧壁，喷嘴高度h0=11.25cm,射流速度v=1,2.5,4,5.5m/s在t=0.25s时腔室内的流线分布图51射流速度为5.5m/s,三个不同喷嘴高度(a)11.25cm(b)18.25cm(c)28.25cm模型在t=0.3s时流场的流线分布图压缩式气体施压相同射流速度v=5.5m/s,不同腔体高度(a)22cm(b)26cm(c)30cm,其内部流场在0.25s时的流线图52掩模板上最大压强与最小压强差值(以下均用表示)的时间演变曲线(a)对称喷嘴位于腔体侧壁，高度为11.25cm，不同射流速度时的时演曲线(b)射流速度为5.5m/s，不同喷嘴高度(11.25cm,18.25cm,28.25cm)时，掩模板上的时演曲线(c)喷嘴位于腔体顶部时，腔体高度为18cm，v=1,2.5,4,5.5m/s时掩模板上的时演曲线(d)相同的射流速度v=5.5m/s，不同的腔体高度时，掩模板上的时演曲线压缩式气体施压53压缩式气体施压压缩式施压方式

(a)三个测试点(图3.4中所示)在整个施压过程中压强的时演曲线(b)在整个施压过程中掩模板上不同位置(弧长为0的坐标代表图3.8中掩模板的边缘，弧长为0.09m的坐标代表掩模板中心)的压强与板上最小压强的差值在不同时刻的变化LiTianhao,Zheng

Guoheng,LiuChaoran,XiaWeiwei,LiDongxue,DuanZhiyong.AnalysisofDynamicPressureDistributionontheMoldinCompressionalGasCushionPressNanoimprintLithography.IEEETransactionsonNanotechnology.VOL.12,issue4.589-595.201354压缩式气体施压基于气体压缩式施压，必须保证气体不进入掩模板基板腔室。否则，不能将掩模板压入。采用带突出环掩模板粘合转移介质实现。55压缩式气体施压基于展开模型，理论推导突出环的宽度与转移介质物性之间的解析方程。56压缩式气体施压L1和L3与相关参数的影响李天昊,郑国恒,刘超然,夏委委,李冬雪,段智勇.掩膜板凸出环隔离压缩式纳米压印施压气体的研究.物理学报,2013,Vol.62(6):06810357压缩式气体施压在压印过程中，由于活塞的位移，驱动电机的运行都会产生振动。压印系统需要克服这些振动传导到承片台，给样品造成对准误差。采用横向隔振和纵向隔振，从材料、结构等方面研究隔振问题。58压缩式气体施压纵向隔振振幅衰减比随减震堆栈层数的变化曲线振幅衰减比随着相邻蜂窝间距的变化曲线减震堆栈振幅最小值与振幅最大值之比随材料阻尼比变化关系刘超然,罗康，李天昊，夏委委，李冬雪，段智勇.压缩式气压纳米压印阻尼减振分析.机械科学与技术.201359压缩式气体施压横向隔振基于压缩式施压系统建立物理模型,可以得到如下振动表达式理论解析计算Comsol仿真分析60压缩式气体施压横向隔振Conclusion：YoungmodulusEwhichshouldbelargerthan100GPa;Poisson'sratioμwhichgetscloseto0.5;Thedensityρhaslittleinfluenceonvibrationattenuationoftheattenuationring.61压缩式气体施压横向隔振Simulationresultoften-partformofstructure3Vibrationattenuationoffourstructures

Structuresectionofattenuationring

LiuChaoran,Yue

Jinzhao,LiTianhao,XiaWeiwei,LiDongxueandDuanZhiyong.Vibrationattenuationanalysisofcompressionalgascushionpressnanoimprintlithographysystem.JournalofMechanicalEngineeringScience.2013(DOI:10.1177/0954406213508755.)62假塑性金属纳米粒子流体金纳米粒子的直径如果在5～10nm量级，在130～140℃温度范围内，即可以实现从纳米粒子到体金属连线的转变。采用金属纳米粒子结合相应的溶液，可以制备为假塑性流体。在压印过程中提高流体对掩模板间隙的填充效果。压印分离后，粘度增加可以对图像形貌有保持作用。直接形成金属图像，比较常规图像转移，少了刻蚀、溅射、容脱三个步骤，大幅度降低技术成本。63假塑性金属纳米粒子流体假塑性金属纳米粒子流体压印转移效果64假塑性金属纳米粒子流体填充度随初始粘度变化65假塑性金属纳米粒子流体填充度随材料特征时间变化66假塑性金属纳米粒子流体填充度随压强变化67假塑性金属纳米粒子流体填充度随掩模板图形线条深度变化68假塑性金属纳米粒子流体填充度随压印速度变化夏委委,郑国恒,李天昊,刘超然,李冬雪,段智勇.假塑性流体纳米压印中影响填充度的因素.物理学报,Vol.62.N